KR20240017207A - Electric propulsion ship - Google Patents

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KR20240017207A
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이승재
성용욱
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해전기 추진 선박이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 추진 선박은, 선체와, 선체에 설치되며, 내부에 액화천연가스를 저장하는 연료탱크와, 연료탱크로부터 액화천연가스를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기와, 연료극에 공급된 개질가스와, 공기극에 공급된 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지와, 연료전지에서 생성된 전기로 추진력을 생성하는 추진기모터, 및 연료극에서 배출되는 이산화탄소를 포함하는 연료극배출가스를 분리막에 통과시켜 연료극배출가스에 포함된 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소포집모듈을 포함할 수 있다.
In accordance with one embodiment of the present invention, an electric propulsion vessel is provided.
An electric propulsion ship according to an embodiment of the present invention includes a hull, a fuel tank installed on the hull and storing liquefied natural gas therein, and liquefied natural gas supplied from the fuel tank and reformed to produce reformed gas containing hydrogen. A reformer that generates a fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting the reformed gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode, a propeller motor that generates propulsion using the electricity generated in the fuel cell, and a fuel electrode. It may include a carbon dioxide capture module that removes carbon dioxide contained in the anode exhaust gas by passing the anode exhaust gas containing carbon dioxide through a separator.

Description

전기 추진 선박{Electric propulsion ship}Electric propulsion ship

본 발명은 전기 추진 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소의 배출을 저감시킬 수 있는 전기 추진 선박에 관한 것이다.The present invention relates to electric propulsion ships, and more particularly to electric propulsion ships capable of reducing carbon dioxide emissions.

연료의 연소 과정에서 발생되는 배기가스에 포함된 오염물질로 인한 대기오염이 증가함에 따라 환경 친화적이면서도 고효율로 추진할 수 있는 선박의 개발이 요구되고 있으며, 차세대 동력원 중 하나로 연료전지가 대두되고 있다. 즉, 액화천연가스를 개질하여 생성한 수소를 연료전지에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 생성하고, 이 때, 생성된 전기를 모터에 공급하여 선박의 추진에 필요한 동력을 생성하는 것이다.As air pollution due to pollutants contained in exhaust gases generated during the combustion process of fuel increases, the development of ships that are environmentally friendly and capable of propulsion with high efficiency is required, and fuel cells are emerging as one of the next-generation power sources. In other words, hydrogen generated by reforming liquefied natural gas is electrochemically reacted in a fuel cell to generate electricity, and the generated electricity is supplied to the motor to generate power necessary for propulsion of the ship.

한편, 연료전지에서 생성된 전기를 이용하여 추진하는 선박은, 질소산화물, 황산화물 등의 오염물질은 배출하지 않으나, 액화천연가스를 개질하여 생성한 수소를 연료로 사용하므로, 액화천연가스를 연소하여 추진력을 생성하는 연소기관이 설치된 선박과 동일하게 이산화탄소를 배출하는 문제가 있다. 다시 말해, 연료전지가 도입된 종래의 선박은, 2008년 대비 이산화탄소의 배출량을 2030년까지 40% 줄이고 2050년까지 70% 줄이는 것을 목표로 하는 IMO(국제해사기구, International Maritime Organization)의 선박 온실가스 배출 규제를 만족시킬 수 없다.Meanwhile, ships propelled using electricity generated from fuel cells do not emit pollutants such as nitrogen oxides and sulfur oxides, but use hydrogen generated by reforming liquefied natural gas as fuel, so they burn liquefied natural gas. Therefore, there is a problem of emitting carbon dioxide in the same way as ships equipped with combustion engines that generate propulsion. In other words, conventional ships with fuel cells are subject to the IMO (International Maritime Organization) ship greenhouse gas emissions target of reducing carbon dioxide emissions by 40% by 2030 and 70% by 2050 compared to 2008. Unable to meet emission regulations.

이에, 이산화탄소의 배출을 저감시켜 국제해사기구의 온실가스 배출 규제를 만족시킬 수 있는 전기 추진 선박이 필요하게 되었다.Accordingly, there is a need for electric propulsion ships that can reduce carbon dioxide emissions and satisfy the International Maritime Organization's greenhouse gas emission regulations.

대한민국 공개특허 제10-2020-0023373호 (2020.02.26.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0023373 (2020.02.26.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이산화탄소의 배출을 저감시킬 수 있는 전기 추진 선박을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an electric propulsion ship that can reduce carbon dioxide emissions.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기 추진 선박은, 선체와, 상기 선체에 설치되며, 내부에 액화천연가스를 저장하는 연료탱크와, 상기 연료탱크로부터 상기 액화천연가스를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기와, 연료극에 공급된 상기 개질가스와, 공기극에 공급된 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지와, 상기 연료전지에서 생성된 전기로 추진력을 생성하는 추진기모터, 및 상기 연료극에서 배출되는 이산화탄소를 포함하는 연료극배출가스를 분리막에 통과시켜 상기 연료극배출가스에 포함된 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소포집모듈을 포함한다.An electric propulsion ship according to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem includes a hull, a fuel tank installed on the hull, storing liquefied natural gas therein, and supplying the liquefied natural gas from the fuel tank. A reformer for receiving and reforming to produce a reformed gas containing hydrogen, a fuel cell for generating electricity by electrochemically reacting the reformed gas supplied to the fuel electrode with the air supplied to the air electrode, and electricity generated from the fuel cell. It includes a propeller motor that generates propulsion, and a carbon dioxide capture module that removes carbon dioxide contained in the anode exhaust gas by passing the anode exhaust gas containing carbon dioxide emitted from the anode through a separator.

상기 전기 추진 선박은, 상기 연료극에 연결되어 상기 연료극배출가스를 배출하는 연료극배출라인과, 상기 연료극배출라인에서 분기되는 분기라인을 더 포함하되, 상기 이산화탄소포집모듈은 상기 분기라인 상에 설치될 수 있다.The electric propulsion vessel further includes an anode discharge line connected to the anode to discharge the anode exhaust gas, and a branch line branching from the anode discharge line, wherein the carbon dioxide capture module may be installed on the branch line. there is.

상기 전기 추진 선박은, 상기 이산화탄소포집모듈 전단의 상기 분기라인 상에 설치되어 상기 연료극배출가스에 포함된 수증기와 불순물을 제거하는 전처리유닛을 더 포함할 수 있다.The electric propulsion vessel may further include a pretreatment unit installed on the branch line in front of the carbon dioxide capture module to remove water vapor and impurities contained in the anode exhaust gas.

상기 전기 추진 선박은, 상기 전처리유닛과 상기 이산화탄소포집모듈 사이의 상기 분기라인 상에 설치되며, 상기 연료전지에서 생성된 전력으로 상기 연료극배출가스를 가압하는 압축기를 더 포함할 수 있다.The electric propulsion vessel is installed on the branch line between the pretreatment unit and the carbon dioxide capture module, and may further include a compressor that pressurizes the anode exhaust gas with power generated by the fuel cell.

상기 전기 추진 선박은, 상기 공기극에 연결되어 질소와 산소를 포함하는 공기극배출가스를 배출하는 공기극배출라인과, 상기 분기라인 전단의 상기 연료극배출라인 상에 설치되며, 상기 공기극배출라인으로부터 상기 공기극배출가스를 공급받아 상기 연료극배출가스에 포함된 미반응 메탄을 이산화탄소로 산화시키는 산화반응기를 더 포함할 수 있다.The electric propulsion ship is installed on the air electrode discharge line connected to the air electrode to discharge air electrode exhaust gas containing nitrogen and oxygen, and the anode discharge line at the front of the branch line, and discharges the air electrode exhaust gas from the air electrode discharge line. It may further include an oxidation reactor that receives gas and oxidizes unreacted methane contained in the anode exhaust gas into carbon dioxide.

상기 전기 추진 선박은, 상기 산화반응기와 상기 분기라인 사이의 상기 연료극배출라인 상에 설치되며, 상기 연료극배출가스와 열교환하여 스팀을 생성하는 이코노마이저를 더 포함할 수 있다.The electric propulsion ship is installed on the anode discharge line between the oxidation reactor and the branch line, and may further include an economizer that generates steam by exchanging heat with the anode exhaust gas.

상기 공기극배출라인은 상기 이코노마이저를 경유하여 상기 분기라인 후단의 상기 연료극배출라인에 합류될 수 있다.The air electrode discharge line may join the anode discharge line at a rear end of the branch line via the economizer.

상기 전기 추진 선박은, 상기 산화반응기 전단의 상기 연료극배출라인에서 분기되어 상기 연료극배출가스를 상기 개질기 전단으로 순환시키는 순환라인을 더 포함할 수 있다.The electric propulsion vessel may further include a circulation line that branches off from the anode discharge line in front of the oxidation reactor and circulates the anode exhaust gas to the front of the reformer.

상기 분리막은, 이산화탄소를 선택적으로 투과하는 고분자소재를 중공사막에 가공하여 형성한 것일 수 있다.The separation membrane may be formed by processing a polymer material that selectively permeates carbon dioxide into a hollow fiber membrane.

상기 전기 추진 선박은, 상기 연료탱크에 저장된 상기 액화천연가스를 강제로 기화시켜 강제기화가스를 생성하는 기화기를 더 포함하되, 상기 개질기는 상기 강제기화가스를 개질하여 상기 개질가스를 생성할 수 있다.The electric propulsion ship further includes a vaporizer that forcibly vaporizes the liquefied natural gas stored in the fuel tank to generate forced vaporization gas, and the reformer may reform the forced vaporization gas to generate the reformed gas. .

본 발명에 따르면, 연료전지의 연료극에서 배출되는 연료극배출가스 중 일부를 멤브레인(membrane) 타입의 이산화탄소포집모듈로 공급하여 연료극배출가스에 포함된 이산화탄소를 제거한 후 대기 중에 배출하므로, 국제해사기구의 온실가스 배출 규제를 용이하게 만족시킬 수 있다. 특히, 운항 해역마다 다른 온실가스 배출 규제에 대응하여 이산화탄소포집모듈로 공급되는 연료극배출가스의 양을 조절하므로, 선박을 경제적으로 운용할 수 있다.According to the present invention, some of the anode exhaust gas emitted from the anode of the fuel cell is supplied to a membrane-type carbon dioxide capture module to remove carbon dioxide contained in the anode exhaust gas and then discharged into the atmosphere, so that it can be used in the greenhouse of the International Maritime Organization. Gas emission regulations can be easily met. In particular, the amount of anode emissions supplied to the carbon dioxide capture module is adjusted in response to greenhouse gas emission regulations that differ in each operating sea area, so the ship can be operated economically.

또한, 이산화탄소포집모듈 전단에 전처리유닛이 설치되어 연료극배출가스에 포함된 수증기와 불순물을 제거하므로, 이산화탄소포집모듈의 성능 저하를 방지할 수 있다.In addition, a pretreatment unit is installed in front of the carbon dioxide capture module to remove water vapor and impurities contained in the anode exhaust gas, thereby preventing performance degradation of the carbon dioxide capture module.

또한, 이코노마이저에서 생성된 스팀이 선내 각종 필요처에 공급되어 열원으로 사용되므로, 스팀 생성을 위한 별도의 보일러를 가동할 필요가 없어 에너지 소모를 줄일 수 있고 보일러의 가동에 따른 또 다른 이산화탄소의 생성도 방지할 수 있다.In addition, since the steam generated by the economizer is supplied to various needs within the ship and used as a heat source, there is no need to operate a separate boiler for steam generation, thereby reducing energy consumption and generating additional carbon dioxide due to the operation of the boiler. It can be prevented.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 추진 선박을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 연료전지를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 이산화탄소포집모듈을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 전기 추진 선박의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
1 is a diagram illustrating an electric propulsion ship according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of the fuel cell of FIG. 1.
Figure 3 is an enlarged view of the carbon dioxide capture module of Figure 1.
Figure 4 is an operational diagram for explaining the operation of an electric propulsion ship.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to be understood by those skilled in the art. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기 추진 선박에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 4, an electric propulsion ship according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 전기 추진 선박은 액화천연가스를 개질하여 생성한 수소를 연료전지에 연료로 공급하고, 연료전지에서 생성된 전기로 추진기모터를 동작하여 추진할 수 있다.The electric propulsion ship according to the present invention can be propelled by supplying hydrogen generated by reforming liquefied natural gas as fuel to a fuel cell and operating a propulsion motor with electricity generated from the fuel cell.

전기 추진 선박은 연료전지의 연료극에서 배출되는 연료극배출가스 중 일부를 멤브레인(membrane) 타입의 이산화탄소포집모듈로 공급하여 연료극배출가스에 포함된 이산화탄소를 제거한 후 대기 중에 배출하므로, 국제해사기구의 온실가스 배출 규제를 용이하게 만족시킬 수 있다. 특히, 운항 해역마다 다른 온실가스 배출 규제에 대응하여 이산화탄소포집모듈로 공급되는 연료극배출가스의 양을 조절하므로, 선박을 경제적으로 운용할 수 있다. 또한, 이산화탄소포집모듈 전단에 전처리유닛이 설치되어 연료극배출가스에 포함된 수증기와 불순물을 제거하므로, 이산화탄소포집모듈의 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 이코노마이저에서 생성된 스팀이 선내 각종 필요처에 공급되어 열원으로 사용되므로, 스팀 생성을 위한 별도의 보일러를 가동할 필요가 없어 에너지 소모를 줄일 수 있고 보일러의 가동에 따른 또 다른 이산화탄소의 생성도 방지할 수 있는 특징이 있다.Electric propulsion ships supply some of the anode exhaust gases emitted from the anodes of fuel cells to a membrane-type carbon dioxide capture module to remove carbon dioxide contained in the anode exhaust gases and then discharge them into the atmosphere, thereby complying with the International Maritime Organization's greenhouse gas requirements. Emission regulations can be easily met. In particular, the amount of anode emissions supplied to the carbon dioxide capture module is adjusted in response to greenhouse gas emission regulations that differ in each operating sea area, so the ship can be operated economically. In addition, a pretreatment unit is installed in front of the carbon dioxide capture module to remove water vapor and impurities contained in the anode exhaust gas, thereby preventing performance degradation of the carbon dioxide capture module. In addition, since the steam generated by the economizer is supplied to various needs within the ship and used as a heat source, there is no need to operate a separate boiler for steam generation, thereby reducing energy consumption and generating additional carbon dioxide due to the operation of the boiler. There are features that can be prevented.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 전기 추진 선박(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 3, the electric propulsion vessel 1 will be described in detail.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 추진 선박을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 연료전지를 확대하여 도시한 도면이며, 도 3은 도 1의 이산화탄소포집모듈을 확대하여 도시한 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing an electric propulsion ship according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of the fuel cell of FIG. 1, and FIG. 3 is an enlarged view of the carbon dioxide capture module of FIG. 1. am.

본 발명에 따른 전기 추진 선박(1)은 선체(10), 연료탱크(20), 개질기(30), 연료전지(40), 추진기모터(50), 및 이산화탄소포집모듈(60)을 포함한다.The electric propulsion ship 1 according to the present invention includes a hull 10, a fuel tank 20, a reformer 30, a fuel cell 40, a propulsion motor 50, and a carbon dioxide capture module 60.

선체(10)는 전기 추진 선박(1)의 외형(外形)을 이루는 것으로, 외측면이 유선형(流線型)으로 형성되어 해수로 인한 저항을 최소화할 수 있다. 선체(10)는 후술할 추진기모터(50)에서 생성된 추진력으로 추진되며, 내부에 연료탱크(20), 개질기(30), 연료전지(40), 추진기모터(50), 이산화탄소포집모듈(60)이 설치된다.The hull 10 forms the external shape of the electric propulsion ship 1, and the outer surface is formed in a streamlined shape to minimize resistance due to seawater. The hull 10 is propelled by the propulsion force generated by the propulsion motor 50, which will be described later, and has a fuel tank 20, a reformer 30, a fuel cell 40, a propulsion motor 50, and a carbon dioxide capture module 60 inside. ) is installed.

연료탱크(20)는 내부에 액화천연가스를 저장하는 탱크로, 적어도 하나가 선체(10)에 설치될 수 있다. 연료탱크(20)는 극저온인 액화천연가스의 기화를 최소화하기 위해 단열 구조로 형성되며, 연료탱크(20)에 저장된 액화천연가스는 일 측에 연결된 유동관(도면부호 미도시)을 통해 기화기(100)로 공급된다.The fuel tank 20 is a tank that stores liquefied natural gas therein, and at least one fuel tank 20 may be installed in the hull 10. The fuel tank 20 is formed in an insulating structure to minimize vaporization of extremely low temperature liquefied natural gas, and the liquefied natural gas stored in the fuel tank 20 is transferred to the vaporizer (100) through a flow pipe (not shown) connected to one side. ) is supplied.

기화기(100)는 연료탱크(20)에 저장된 액화천연가스를 강제로 기화시켜 강제기화가스를 생성하는 것으로, 예를 들어, 액화천연가스를 고온의 증기와 같은 열매체와 열교환하여 강제 기화시킬 수 있다. 기화기(100)에서 생성된 강제기화가스는 개질기(30)로 공급된다.The vaporizer 100 generates forced vaporization gas by forcibly vaporizing the liquefied natural gas stored in the fuel tank 20. For example, liquefied natural gas can be forcibly vaporized by heat exchange with a heat medium such as high-temperature steam. . Forced vaporization gas generated in the vaporizer 100 is supplied to the reformer 30.

개질기(30)는 연료탱크(20)로부터 액화천연가스, 보다 구체적으로, 기화기(100)에서 생성된 강제기화가스를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 것으로, 예를 들어, 스팀 개질기로 형성될 수 있다. 개질기(30)는 강제기화가스와 증기를 개질반응시켜 강제기화가스를 수소가 주성분인 개질가스로 전환시킬 수 있다. 필요에 따라, 개질기(30)는 강제기화가스를 수소만으로 이루어진 개질가스로 전환시킬 수도 있다. 개질기(30)는 아래의 <반응식1>에 따라 개질가스를 생성할 수 있다.The reformer 30 receives liquefied natural gas, more specifically, forced vaporization gas generated in the vaporizer 100, from the fuel tank 20, and reforms it to generate a reformed gas containing hydrogen, for example, steam. It can be formed as a reformer. The reformer 30 can convert the forced vaporization gas into a reformed gas whose main component is hydrogen by reforming the forced vaporization gas and steam. If necessary, the reformer 30 may convert the forced vaporization gas into a reformed gas consisting only of hydrogen. The reformer 30 can generate reformed gas according to <Reaction Formula 1> below.

<반응식1><Scheme 1>

CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2 CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO 2

강제기화가스는 고온의 증기(H2O)와 개질반응하여 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 생성한다. 즉, 고온의 증기는 강제기화가스를 개질가스로 전환시키는 산화제로 작용할 수 있다. 개질가스에는 수소(H2)를 비롯하여 이산화탄소(CO2), 소량의 미반응 메탄(CH4), 일산화탄소(CO)가 포함될 수 있다.Forced vaporization gas undergoes a reforming reaction with high-temperature steam (H 2 O) to produce hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ). In other words, high-temperature steam can act as an oxidizing agent that converts forced vaporization gas into reformed gas. The reformed gas may contain hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ), small amounts of unreacted methane (CH 4 ), and carbon monoxide (CO).

개질기(30)에서 생성된 개질가스는 연료전지(40)로 공급된다. 연료전지(40)는 개질기(30)에 연결된 연료극공급라인(41a)으로부터 연료극(41)에 개질가스를 공급받고, 외부 또는 공기저장탱크(도시되지 않음)에 연결된 공기극공급라인(42a)으로부터 공기극(42)에 공기를 공급받아 개질가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 생성할 수 있다. 여기서, 공기라 함은, 일반적으로 자연 상태에서 얻을 수 있는 약 80%의 질소와 약 20%의 산소로 구성된 일반적인 공기에 한정될 것은 아니며, 산소의 농도가 일반적인 공기보다 높거나 낮을 수 있고, 일반적인 공기의 조성물질과 다른 물질이 일부 포함될 수도 있다. 즉, 공기라 함은, 연료전지(40)에서 필요한 산소를 포함하고 있는 기체를 통칭할 수 있다. 공기극공급라인(42a) 상에는 블로어(도면부호 미도시)와 필터(도면부호 미도시)가 설치되므로, 공기는 대기 중에 포함된 염분을 포함하는 불순물이 제거된 후 용이하게 공기극(42)으로 공급될 수 있다. 연료전지(40)는 예를 들어, 섭씨 600℃ 이상의 고온에서 작동하며 모든 구성요소가 고체로 이루어져 타 연료전지에 비해 구조가 간단하고 전해질의 손실과 보충, 및 부식의 문제가 없는 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)로 형성될 수 있다. 그러나, 연료전지(40)가 고체 산화물 연료전지로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 연료전지(40)의 종류는 다양하게 변형될 수 있다.The reformed gas generated in the reformer 30 is supplied to the fuel cell 40. The fuel cell 40 receives reformed gas to the anode 41 from the anode supply line 41a connected to the reformer 30, and receives the air electrode from the air electrode supply line 42a connected to the outside or an air storage tank (not shown). (42) By receiving air, the reformed gas can be electrochemically reacted to generate electricity. Here, the term air is not limited to general air consisting of about 80% nitrogen and about 20% oxygen that can be obtained in natural conditions, and the concentration of oxygen may be higher or lower than that of general air, and may be It may contain some substances different from those of air. In other words, air may refer to a gas containing oxygen necessary for the fuel cell 40. Since a blower (not shown) and a filter (not shown) are installed on the air electrode supply line 42a, air can be easily supplied to the air electrode 42 after impurities including salt contained in the atmosphere are removed. You can. The fuel cell 40 is, for example, a solid oxide fuel cell that operates at a high temperature of 600°C or higher and has a simple structure compared to other fuel cells because all components are made of solid and does not have problems with loss and replenishment of electrolyte and corrosion. (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell). However, the fuel cell 40 is not limited to being formed of a solid oxide fuel cell, and the types of fuel cell 40 may be modified in various ways.

도 2를 참조하면, 연료전지(40)는 연료극공급라인(41a)이 연결되는 연료극(41)과, 공기극공급라인(42a)이 연결되는 공기극(42)을 포함하며, 연료극(41)과 공기극(42) 사이에는 전해질(43)이 개재될 수 있다. 연료전지(40)가 고체 산화물 연료전지로 형성되는 경우, 전해질(43)은 산화지르코늄(ZrO2)이나 세리아(CeO2) 등의 고체 산화물, 즉, 세라믹으로 이루어질 수 있다. 연료극공급라인(41a)을 통해 연료극(41)으로 공급된 개질가스와, 공기극공급라인(42a)을 통해 공기극(42)으로 공급된 공기는, 아래의 <반응식2>에 따라 전기 화학적으로 반응하여 전기를 생성할 수 있다.Referring to FIG. 2, the fuel cell 40 includes an anode 41 to which an anode supply line 41a is connected and an air electrode 42 to which an air electrode supply line 42a is connected, and the anode 41 and the air electrode are connected to each other. An electrolyte (43) may be interposed between (42). When the fuel cell 40 is formed as a solid oxide fuel cell, the electrolyte 43 may be made of a solid oxide such as zirconium oxide (ZrO 2 ) or ceria (CeO 2 ), that is, ceramic. The reformed gas supplied to the anode 41 through the anode supply line 41a and the air supplied to the cathode 42 through the cathode supply line 42a electrochemically react according to <Reaction Formula 2> below. Can generate electricity.

<반응식2><Scheme 2>

H2 + 1/2O2 → H2O + 열 + 전기H 2 + 1/2O 2 → H 2 O + heat + electricity

보다 구체적으로, 공기극(42)에서는 산소(O2)의 전기적 환원이 일어나며, 산소이온(O2-)은 연료극(41)으로 이동한다. 산소이온(O2-)은 공기극(42)과 연료극(41) 사이에 위치한 전해질(43)을 통하여 공기극(42)에서 연료극(41)으로 이동하고, 전자(2e-)는 연료극(41)과 공기극(42)을 외부로 이어주는 전기회로를 통해 연료극(41)에서 공기극(42)으로 이동한다. 연료극(41)에서는 연료인 수소(H2)의 전기적 산화가 일어나며, 최종적으로 수소(H2)는 산소(O2)와 반응하여 물(H2O)로 변한다. 이와 동시에 직류전력이 발생하며, 부수적으로 열도 발생한다. 발생된 직류전력은 직류 전동기의 동력으로 사용되거나, 인버터(inverter)에 의해 교류전력으로 바뀌어 사용될 수 있다. 이러한 과정을 통해 생성된 전기는 추진력을 생성하는 추진기모터(50)를 비롯하여 다양한 필요처에 공급될 수 있다.More specifically, electrical reduction of oxygen (O 2 ) occurs at the air electrode 42, and oxygen ions (O 2- ) move to the fuel electrode 41. Oxygen ions (O 2- ) move from the air electrode 42 to the anode 41 through the electrolyte 43 located between the air electrode 42 and the anode 41, and electrons (2e - ) move between the anode 41 and the anode 41. It moves from the fuel electrode 41 to the air electrode 42 through an electric circuit connecting the air electrode 42 to the outside. Electrical oxidation of hydrogen (H 2 ), which is a fuel, occurs at the anode 41, and ultimately hydrogen (H 2 ) reacts with oxygen (O 2 ) and turns into water (H 2 O). At the same time, direct current power is generated, and heat is also generated incidentally. The generated direct current power can be used as power for a direct current motor, or converted to alternating current power by an inverter. Electricity generated through this process can be supplied to various needs, including the propulsion motor 50 that generates propulsion.

한편, 연료극공급라인(41a)과 공기극공급라인(42a)에는 각각 연료극배출라인(41b)과 공기극배출라인(42b)이 연장될 수 있다. 연료극배출라인(41b)은 연료극(41)에서 수소의 전기적 산화 반응 후 남은 이산화탄소, 미반응 메탄, 미반응 수소, 수증기를 포함하는 연료극배출가스를 연료전지(40) 외부로 배출하며, 공기극배출라인(42b)은 공기극(42)에서 산소의 전기화학적 환원 반응 후 남은 질소와 미반응 산소를 포함하는 공기극배출가스를 연료전지(40) 외부로 배출할 수 있다.Meanwhile, an anode discharge line 41b and an air electrode discharge line 42b may be extended from the anode supply line 41a and the air electrode supply line 42a, respectively. The anode discharge line 41b discharges the anode exhaust gas containing carbon dioxide, unreacted methane, unreacted hydrogen, and water vapor remaining after the electrical oxidation reaction of hydrogen at the anode 41 to the outside of the fuel cell 40, and the air electrode discharge line (42b) can discharge the air electrode exhaust gas containing nitrogen and unreacted oxygen remaining after the electrochemical reduction reaction of oxygen in the air electrode 42 to the outside of the fuel cell 40.

연료극배출라인(41b) 상에는 후술할 산화반응기(80)가 설치되며, 산화반응기(80) 전단의 연료극배출라인(41b)에는 순환라인(41d)이 분기될 수 있다. 순환라인(41d)은연료전지(40)에서 배출된 연료극배출가스 중 적어도 일부를 개질기(30) 전단으로 순환시킬 수 있다. 순환라인(41d)이 연료극배출가스를 개질기(30) 전단으로 순환시킴으로써, 연료극배출가스에 포함된 미반응 메탄이 개질기(30)에서 다시 수소로 개질되어 연료전지(40)의 연료로 사용될 수 있다. 또한, 연료극배출가스에 포함된 미반응 수소가 연료전지(40)에서 반응에 사용될 수도 있다.An oxidation reactor 80, which will be described later, is installed on the anode discharge line 41b, and a circulation line 41d may be branched from the anode discharge line 41b in front of the oxidation reactor 80. The circulation line 41d can circulate at least a portion of the anode exhaust gas discharged from the fuel cell 40 to the front of the reformer 30. As the circulation line 41d circulates the anode exhaust gas to the front of the reformer 30, unreacted methane contained in the anode exhaust gas can be reformed back into hydrogen in the reformer 30 and used as fuel for the fuel cell 40. . Additionally, unreacted hydrogen contained in the anode exhaust gas may be used for reaction in the fuel cell 40.

산화반응기(80)는 공기극배출라인(42b)으로부터 공기극배출가스를 공급받아 순환라인(41d)을 통해 개질기(30) 전단으로 순환되지 않은 연료극배출가스에 포함된 미반응 메탄을 이산화탄소로 산화시킬 수 있다. 산화반응기(70)는 아래의 <반응식3>에 따라 미반응 메탄을 이산화탄소로 산화시킬 수 있다.The oxidation reactor 80 can receive air electrode exhaust gas from the air electrode discharge line 42b and oxidize unreacted methane contained in the anode exhaust gas that has not been circulated to the front of the reformer 30 through the circulation line 41d into carbon dioxide. there is. The oxidation reactor 70 can oxidize unreacted methane into carbon dioxide according to <Reaction Formula 3> below.

<반응식3><Scheme 3>

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2OCH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O

연료극배출라인(41b) 상에 산화반응기(80)가 설치됨으로써, 지구온난화지수가 상대적으로 높은 메탄이 대기 중에 방출되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 메탄이 산화되어 형성된 이산화탄소는 후술할 이산화탄소포집모듈(60)에서 포집 가능하므로, 이산화탄소가 대기 중에 방출되는 것을 최소화할 수 있다.By installing the oxidation reactor 80 on the anode discharge line 41b, it is possible to prevent methane, which has a relatively high global warming potential, from being released into the atmosphere. In particular, carbon dioxide formed by oxidation of methane can be captured in the carbon dioxide capture module 60, which will be described later, so the emission of carbon dioxide into the atmosphere can be minimized.

산화반응기(80) 후단의 연료극배출라인(41b) 상에는 이코노마이저(90)가 설치되며, 이코노마이저(90)는 해수 또는 청수를 연료극배출가스와 열교환하여 스팀을 생성할 수 있다. 공기극배출라인(42b)은 이코노마이저(90)를 경유하여 후술할 분기라인(41c) 후단의 연료극배출라인(41b)에 합류될 수 있다. 공기극배출라인(42b)이 이코노마이저(90)를 경유하여 분기라인(41c) 후단의 연료극배출라인(41b)에 합류됨으로서, 공기극배출가스의 폐열을 회수할 수 있음은 물론 이산화탄소포집모듈(60)에 유입되는 배출가스 중 이산화탄소의 농도를 높여 이산화탄소의 포집 효율을 올림으로써 최종적으로 이산화탄소포집모듈(60)의 크기도 줄일 수 있고 선박의 운용에 소모되는 에너지를 절감할 수 있다.An economizer 90 is installed on the anode discharge line 41b at the rear of the oxidation reactor 80, and the economizer 90 can generate steam by heat exchanging seawater or fresh water with the anode discharge gas. The air electrode discharge line 42b may be joined to the anode discharge line 41b at the rear of the branch line 41c, which will be described later, via the economizer 90. As the air electrode discharge line (42b) joins the anode discharge line (41b) at the rear of the branch line (41c) via the economizer (90), it is possible to recover the waste heat of the air electrode exhaust gas and to the carbon dioxide capture module (60). By increasing the concentration of carbon dioxide in the incoming exhaust gas and increasing the carbon dioxide capture efficiency, the size of the carbon dioxide capture module 60 can be ultimately reduced and the energy consumed in operating the ship can be reduced.

이코노마이저(90) 후단의 연료극배출라인(41b)에는 분기라인(41c)이 분기되며, 분기라인(41c) 상에는 이산화탄소포집모듈(60)이 설치될 수 있다. 분기라인(41c)의 분기 지점에는 삼방밸브 형태의 제어밸브(도면부호 미도시)가 설치되므로, 연료극배출라인(41b) 측 연료극배출가스의 유동과 분기라인(41c) 측 연료극배출가스의 유동이 동시에 제어될 수 있다. 제어밸브는 제어부(도시되지 않음)에 의해 개폐가 조절되며, 제어부는 운항 해역마다 다른 온실가스 배출 규제에 대응하여 분기라인(41c) 측 연료극배출가스의 유동량을 조절할 수 있다. 온실가스 배출 규제에 대응하여 이산화탄소포집모듈(60)로 공급되는 연료극배출가스의 양을 조절함으로써, 이산화탄소포집모듈(60)의 크기를 줄일 수 있어 선박을 경제적으로 운용할 수 있다.A branch line (41c) is branched from the anode discharge line (41b) at the rear end of the economizer (90), and a carbon dioxide capture module (60) may be installed on the branch line (41c). Since a three-way valve type control valve (not shown) is installed at the branch point of the branch line (41c), the flow of anode exhaust gas on the anode discharge line (41b) side and the flow of anode exhaust gas on the branch line (41c) side are controlled. can be controlled simultaneously. The control valve is opened and closed by a control unit (not shown), and the control unit can adjust the flow amount of anode exhaust gas on the branch line 41c in response to greenhouse gas emission regulations that vary depending on the operating sea area. By adjusting the amount of anode exhaust gas supplied to the carbon dioxide capture module 60 in response to greenhouse gas emission regulations, the size of the carbon dioxide capture module 60 can be reduced, allowing the ship to be operated economically.

이산화탄소포집모듈(60) 전단의 분기라인(41c) 상에는 전처리유닛(70)이 설치되며, 전처리유닛(70)은 연료극배출가스에 포함된 수증기와 불순물을 제거할 수 있다. 예를 들어, 전처리유닛(70)은 LNG의 냉열로 응축시켜 수증기를 제거하는 제1 전처리부(도면부호 미도시)와, 멤브레인막을 이용하여 미립자(particle) 등의 불순물을 제거하는 제2 전처리부(도면부호 미도시)를 포함할 수 있다. 전처리유닛(70)이 연료극배출가스에 포함된 수증기와 불순물을 제거함으로써, 멤브레인 방식을 사용하는 이산화탄소포집모듈(60)의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 전처리유닛(70)이 제1 전처리부와 제2 전처리부를 포함하는 것으로 한정될 것은 아니며, 연료극배출가스에 포함된 수증기와 불순물을 제거할 수 있는 다양한 구조로 변형될 수 있다.A pretreatment unit 70 is installed on the branch line 41c in front of the carbon dioxide capture module 60, and the pretreatment unit 70 can remove water vapor and impurities contained in the anode exhaust gas. For example, the pretreatment unit 70 includes a first pretreatment unit (not shown) that removes water vapor by condensing it with cold heat of LNG, and a second pretreatment unit that removes impurities such as particles using a membrane membrane. It may include (drawing symbol not shown). By removing water vapor and impurities contained in the anode exhaust gas, the pretreatment unit 70 can prevent the performance of the carbon dioxide capture module 60 using the membrane method from deteriorating. However, the pretreatment unit 70 is not limited to including the first preprocessor and the second preprocessor, and may be modified into various structures capable of removing water vapor and impurities contained in the anode exhaust gas.

전처리유닛(70)에서 수증기와 불순물이 제거된 연료극배출가스는, 압축기(71)에 의해 가압되어 이산화탄소포집모듈(60)로 공급될 수 있다. 압축기(71)는 전처리유닛(70)과 이산화탄소포집모듈(60) 사이의 분기라인(41c) 상에 설치되며, 연료전지(40)에서 생성된 전력으로 구동되어 연료극배출가스를 가압할 수 있다.The anode exhaust gas from which water vapor and impurities have been removed in the pretreatment unit 70 may be pressurized by the compressor 71 and supplied to the carbon dioxide capture module 60. The compressor 71 is installed on the branch line 41c between the pretreatment unit 70 and the carbon dioxide capture module 60, and is driven by power generated by the fuel cell 40 to pressurize the anode exhaust gas.

이산화탄소포집모듈(60)은 연료극(41)에서 배출되는 이산화탄소를 포함하는 연료극배출가스를 분리막(61)에 통과시켜 연료극배출가스로부터 이산화탄소를 제거할 수 있다. 예를 들어, 분리막(61)은 도 3에 도시된 바와 같이, 이산화탄소를 선택적으로 투과하는 고분자소재를 중공사막(Hollow Fiber Membrane)에 가공하여 형성한 것일 수 있으며, 중공사막은 복수 개가 다발 형태로 형성되어 함체(62) 내부에 수용될 수 있다. 함체(62)는 양 측에 각각 분기라인(41c)이 연결되며, 내부가 분리막(61)의 입구 측과 인접한 제1 영역(A1), 분리막(61)의 출구 측과 인접한 제2 영역(A2), 및 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2) 사이의 제3 영역(A3)으로 구획될 수 있다. 즉, 분기라인(41c)을 통해 함체(62)의 제1 영역(A1)으로 유입된 이산화탄소를 포함하는 연료극배출가스는, 분리막(61)의 입구 측으로 유입되어 분리막(61)을 따라 유동하면서 이산화탄소가 제거되고, 이산화탄소가 제거된 상태로 분리막(61)의 출구 측으로 배출되어 함체(62)의 제2 영역(A2)으로 유입된 후 다시 분기라인(41c)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 연료극배출가스로부터 제거된 이산화탄소는 제3 영역(A3)에 연결된 배출관(63)으로 배출되어, 연료전지(40)에서 생성된 전력으로 구동되는 액화기(120)에 의해 고압으로 압축된 후 액화된 상태로 저장탱크(110)에 저장될 수 있다. 저장탱크(110)에 저장된 액화 이산화탄소는 지중 또는 수중에 별도로 저장되거나 화학물질을 제조하는데 사용될 수 있다. 그러나, 분리막(61)이 이산화탄소를 선택적으로 투과하는 고분자소재를 중공사막에 가공하여 형성된 것으로 한정될 것은 아니며, 연료극배출가스에 포함된 이산화탄소를 제거할 수 있는 다양한 구조로 변형될 수 있다. 예를 들어, 분리막(61)은 폴리이미드, 셀룰로우즈 아세테이트, 폴리술폰 등의 고분자막으로 형성되거나, 알루미나, 실리카 등의 무기막으로 형성되거나, 액막으로 형성될 수도 있다.The carbon dioxide capture module 60 can remove carbon dioxide from the anode exhaust gas by passing the anode exhaust gas containing carbon dioxide emitted from the anode 41 through the separation membrane 61. For example, as shown in FIG. 3, the separation membrane 61 may be formed by processing a polymer material that selectively permeates carbon dioxide into a hollow fiber membrane, and the hollow fiber membrane is formed in a bundle form. It can be formed and accommodated inside the enclosure 62. The enclosure 62 is connected to branch lines 41c on both sides, and has a first area A1 adjacent to the inlet side of the separator 61 and a second area A2 adjacent to the outlet side of the separator 61. ), and a third area (A3) between the first area (A1) and the second area (A2). That is, the anode exhaust gas containing carbon dioxide that flows into the first area (A1) of the enclosure 62 through the branch line (41c) flows into the inlet side of the separator 61 and flows along the separator 61, while carbon dioxide is removed, and the carbon dioxide is discharged to the outlet side of the separation membrane 61 in a removed state, flows into the second area A2 of the enclosure 62, and then can be discharged to the outside again through the branch line 41c. Carbon dioxide removed from the anode exhaust gas is discharged to the discharge pipe 63 connected to the third area A3, compressed at high pressure by the liquefaction 120 driven by the power generated in the fuel cell 40, and then liquefied. It can be stored in the storage tank 110 as is. The liquefied carbon dioxide stored in the storage tank 110 can be stored separately in the ground or underwater or used to manufacture chemicals. However, the separation membrane 61 is not limited to being formed by processing a polymer material that selectively permeates carbon dioxide into a hollow fiber membrane, and can be modified into various structures capable of removing carbon dioxide contained in the anode exhaust gas. For example, the separation membrane 61 may be formed of a polymer membrane such as polyimide, cellulose acetate, or polysulfone, may be formed of an inorganic membrane such as alumina or silica, or may be formed of a liquid membrane.

이하, 도 4를 참조하여, 전기 추진 선박(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 4, the operation of the electric propulsion vessel 1 will be described in more detail.

도 4는 전기 추진 선박의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.Figure 4 is an operational diagram for explaining the operation of an electric propulsion ship.

본 발명에 따른 전기 추진 선박(1)은 연료전지(40)의 연료극(41)에서 배출되는 연료극배출가스 중 일부를 멤브레인(membrane) 타입의 이산화탄소포집모듈(60)로 공급하여 연료극배출가스에 포함된 이산화탄소를 제거한 후 대기 중에 배출하므로, 국제해사기구의 온실가스 배출 규제를 용이하게 만족시킬 수 있다. 특히, 운항 해역마다 다른 온실가스 배출 규제에 대응하여 이산화탄소포집모듈(60)로 공급되는 연료극배출가스의 양을 조절하므로, 선박을 경제적으로 운용할 수 있다. 또한, 이산화탄소포집모듈(60) 전단에 전처리유닛(70)이 설치되어 연료극배출가스에 포함된 수증기와 불순물을 제거하므로, 이산화탄소포집모듈(60)의 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 이코노마이저(90)에서 생성된 스팀이 선내 각종 필요처에 공급되어 열원으로 사용되므로, 스팀 생성을 위한 별도의 보일러를 가동할 필요가 없어 에너지 소모를 줄일 수 있고 보일러의 가동에 따른 또 다른 이산화탄소의 생성도 방지할 수 있다.The electric propulsion ship (1) according to the present invention supplies some of the anode exhaust gas discharged from the anode (41) of the fuel cell (40) to the membrane-type carbon dioxide capture module (60) and includes it in the anode exhaust gas. Since carbon dioxide is removed and then discharged into the atmosphere, it can easily satisfy the International Maritime Organization's greenhouse gas emission regulations. In particular, the amount of anode emissions supplied to the carbon dioxide capture module 60 is adjusted in response to greenhouse gas emission regulations that differ depending on the operating sea area, so the ship can be operated economically. In addition, the pre-processing unit 70 is installed in front of the carbon dioxide collection module 60 to remove water vapor and impurities contained in the anode exhaust gas, thereby preventing performance degradation of the carbon dioxide collection module 60. In addition, since the steam generated in the economizer 90 is supplied to various needs within the ship and used as a heat source, there is no need to operate a separate boiler for steam generation, thereby reducing energy consumption and generating additional carbon dioxide due to the operation of the boiler. The creation of can also be prevented.

도 4를 참조하면, 연료탱크(20)에 저장된 액화천연가스는 기화기(100)로 공급되어 강제 기화되며, 기화기(100)에서 생성된 강제기화가스는 개질기(30)로 공급되어 수소를 포함하는 개질가스로 개질된다. 개질기(30)에서 생성된 개질가스는 연료극공급라인(41a)을 통해 연료전지(40)의 연료극(41)으로 공급되며, 외부 또는 공기저장탱크에 저장된 공기는 공기극공급라인(42a)을 통해 연료전지(40)의 공기극(42)으로 공급된다. 연료전지(40)는 개질가스와 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 생성하며, 생성된 전력은 추진기모터(50)로 공급되어 선체(10)의 추진에 필요한 추진력을 생성한다.Referring to FIG. 4, the liquefied natural gas stored in the fuel tank 20 is supplied to the vaporizer 100 and forcibly vaporized, and the forced vaporization gas generated in the vaporizer 100 is supplied to the reformer 30 to contain hydrogen. It is reformed with reforming gas. The reformed gas generated in the reformer 30 is supplied to the anode 41 of the fuel cell 40 through the anode supply line 41a, and the air stored externally or in the air storage tank is supplied as fuel through the cathode supply line 42a. It is supplied to the air electrode 42 of the battery 40. The fuel cell 40 generates electricity by electrochemically reacting reformed gas and air, and the generated power is supplied to the propulsion motor 50 to generate the propulsion force necessary for propulsion of the hull 10.

연료극(41)에서 수소의 전기적 산화 반응 후 남은 이산화탄소, 미반응 메탄, 미반응 수소, 수증기를 포함하는 연료극배출가스는 연료극공급라인(41a)으로부터 연장되는 연료극배출라인(41b)으로 배출되며, 공기극(42)에서 산소의 전기화학적 환원 반응 후 남은 질소와 미반응 산소를 포함하는 공기극배출가스는 공기극공급라인(42a)으로부터 연장되는 공기극배출라인(42b)으로 배출된다.The anode exhaust gas containing carbon dioxide, unreacted methane, unreacted hydrogen, and water vapor remaining after the electrical oxidation reaction of hydrogen in the anode 41 is discharged to the anode discharge line 41b extending from the anode supply line 41a, and is discharged to the air electrode. The air electrode exhaust gas containing nitrogen and unreacted oxygen remaining after the electrochemical reduction reaction of oxygen in (42) is discharged to the air electrode discharge line 42b extending from the air electrode supply line 42a.

연료극배출가스는 산화반응기(80)로 공급되며, 산화반응기(80)는 공기극배출라인(42b)으로부터 공기극배출가스를 일부 공급받아 연료극배출가스에 포함된 미반응 메탄을 이산화탄소로 산화시킬 수 있다. 미반응 메탄이 산화된 연료극배출가스는 이코노마이저(90)로 공급되며, 이코노마이저(90)는 해수 또는 청수를 연료극배출가스 및 공기극배출가스와 열교환하여 스팀을 생성할 수 있다. 이코노마이저(90)에서 생성된 스팀은 선내 다양한 필요처에 공급될 수 있다.이코노마이저(90)에서 폐열이 회수된 연료극배출가스는 일부가 분기라인(41c)으로 분기되고, 나머지 일부는 이코노마이저(90)에서 폐열이 회수된 공기극배출가스와 합류되어 연료극배출라인(41b)을 통해 대기 중에 방출될 수 있다.The anode exhaust gas is supplied to the oxidation reactor 80, and the oxidation reactor 80 receives a portion of the air electrode exhaust gas from the air electrode discharge line 42b and can oxidize unreacted methane contained in the anode exhaust gas into carbon dioxide. The anode exhaust gas in which unreacted methane is oxidized is supplied to the economizer 90, and the economizer 90 can generate steam by heat exchanging seawater or fresh water with the anode exhaust gas and the air electrode exhaust gas. Steam generated in the economizer 90 can be supplied to various needs within the ship. Part of the anode exhaust gas from which waste heat is recovered in the economizer 90 is branched to the branch line 41c, and the remaining part is transferred to the economizer 90. The waste heat may be combined with the recovered air electrode exhaust gas and discharged into the atmosphere through the anode discharge line 41b.

분기라인(41c)으로 분기된 연료극배출가스는 전처리유닛(70)로 공급되며, 전처리유닛(70)은 연료극배출가스에 포함된 수증기와 불순물을 제거할 수 있다. 수 증기와 불순물이 제거된 연료극배출가스는 연료전지(40)에서 생성된 전기로 구동되는 압축기(71)에 의해 가압되어 이산화탄소포집모듈(60)로 공급되며, 이산화탄소포집모듈(60)은 멤브레인 방식으로 연료극배출가스에 포함된 이산화탄소를 제거할 수 있다. 이산화탄소가 제거된 연료극배출가스는 대기 중에 방출되고, 이산화탄소포집모듈(60)에서 포집된 이산화탄소는 연료전지(40)에서 생성된 전력으로 구동되는 액화기(120)에 의해 고압으로 압축되어 액화된 상태로 저장탱크(110)에 저장될 수 있다.The anode exhaust gas branched through the branch line 41c is supplied to the pretreatment unit 70, and the pretreatment unit 70 can remove water vapor and impurities contained in the anode exhaust gas. The anode exhaust gas from which water vapor and impurities have been removed is pressurized by a compressor 71 driven by electricity generated in the fuel cell 40 and supplied to the carbon dioxide capture module 60. The carbon dioxide capture module 60 is a membrane type. This can remove carbon dioxide contained in the anode exhaust gas. The anode exhaust gas from which the carbon dioxide has been removed is released into the atmosphere, and the carbon dioxide captured in the carbon dioxide collection module 60 is compressed at high pressure and liquefied by the liquefyer 120 driven by the power generated by the fuel cell 40. It can be stored in the storage tank 110.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the attached drawings, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. You will be able to understand it. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive.

1: 전기 추진 선박
10: 선체 20: 연료탱크
30: 개질기 40: 연료전지
41: 연료극 41a: 연료극공급라인
41b: 연료극배출라인 41c: 분기라인
41d: 순환라인 42: 공기극
42a: 공기극공급라인 42b: 공기극배출라인
43: 전해질 50: 추진기모터
60: 이산화탄소포집모듈 61: 분리막
62: 함체 63: 배출관
70: 전처리유닛 71: 압축기
80: 산화반응기 90: 이코노마이저
100: 기화기 110: 저장탱크
120: 액화기
1: Electric propulsion vessel
10: Hull 20: Fuel tank
30: Reformer 40: Fuel cell
41: anode 41a: anode supply line
41b: anode discharge line 41c: branch line
41d: circulation line 42: air electrode
42a: air gap supply line 42b: air gap discharge line
43: Electrolyte 50: Propulsion motor
60: Carbon dioxide capture module 61: Separation membrane
62: enclosure 63: discharge pipe
70: Preprocessing unit 71: Compressor
80: Oxidation reactor 90: Economizer
100: vaporizer 110: storage tank
120: Liquefaction

Claims (10)

선체;
상기 선체에 설치되며, 내부에 액화천연가스를 저장하는 연료탱크;
상기 연료탱크로부터 상기 액화천연가스를 공급받아 개질하여 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기;
연료극에 공급된 상기 개질가스와, 공기극에 공급된 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지;
상기 연료전지에서 생성된 전기로 추진력을 생성하는 추진기모터, 및
상기 연료극에서 배출되는 이산화탄소를 포함하는 연료극배출가스를 분리막에 통과시켜 상기 연료극배출가스에 포함된 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소포집모듈을 포함하는 전기 추진 선박.
hull;
A fuel tank installed on the hull and storing liquefied natural gas therein;
A reformer that receives the liquefied natural gas from the fuel tank and reforms it to produce a reformed gas containing hydrogen;
a fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting the reformed gas supplied to the fuel electrode with the air supplied to the air electrode;
A propulsion motor that generates propulsion using electricity generated from the fuel cell, and
An electric propulsion vessel including a carbon dioxide capture module that removes carbon dioxide contained in the anode exhaust gas by passing the anode exhaust gas containing carbon dioxide emitted from the anode through a separator.
제1 항에 있어서,
상기 연료극에 연결되어 상기 연료극배출가스를 배출하는 연료극배출라인과,
상기 연료극배출라인에서 분기되는 분기라인을 더 포함하되,
상기 이산화탄소포집모듈은 상기 분기라인 상에 설치되는 전기 추진 선박.
According to claim 1,
an anode discharge line connected to the anode to discharge the anode exhaust gas;
It further includes a branch line branching from the anode discharge line,
The carbon dioxide capture module is an electric propulsion ship installed on the branch line.
제2 항에 있어서,
상기 이산화탄소포집모듈 전단의 상기 분기라인 상에 설치되어 상기 연료극배출가스에 포함된 수증기와 불순물을 제거하는 전처리유닛을 더 포함하는 전기 추진 선박.
According to clause 2,
An electric propulsion vessel further comprising a pretreatment unit installed on the branch line in front of the carbon dioxide capture module to remove water vapor and impurities contained in the anode exhaust gas.
제3 항에 있어서,
상기 전처리유닛과 상기 이산화탄소포집모듈 사이의 상기 분기라인 상에 설치되며, 상기 연료전지에서 생성된 전력으로 상기 연료극배출가스를 가압하는 압축기를 더 포함하는 전기 추진 선박.
According to clause 3,
The electric propulsion vessel is installed on the branch line between the pretreatment unit and the carbon dioxide capture module, and further includes a compressor that pressurizes the anode exhaust gas with power generated by the fuel cell.
제2 항에 있어서,
상기 공기극에 연결되어 질소와 산소를 포함하는 공기극배출가스를 배출하는 공기극배출라인과,
상기 분기라인 전단의 상기 연료극배출라인 상에 설치되며, 상기 공기극배출라인으로부터 상기 공기극배출가스를 공급받아 상기 연료극배출가스에 포함된 미반응 메탄을 이산화탄소로 산화시키는 산화반응기를 더 포함하는 전기 추진 선박.
According to clause 2,
an air electrode discharge line connected to the air electrode to discharge air electrode exhaust gas containing nitrogen and oxygen;
An electric propulsion vessel installed on the anode discharge line in front of the branch line and further comprising an oxidation reactor that receives the air electrode exhaust gas from the air electrode discharge line and oxidizes unreacted methane contained in the anode exhaust gas into carbon dioxide. .
제5 항에 있어서,
상기 산화반응기와 상기 분기라인 사이의 상기 연료극배출라인 상에 설치되며, 상기 연료극배출가스와 열교환하여 스팀을 생성하는 이코노마이저를 더 포함하는 전기 추진 선박.
According to clause 5,
An electric propulsion ship further comprising an economizer installed on the anode discharge line between the oxidation reactor and the branch line, and generating steam by exchanging heat with the anode exhaust gas.
제6 항에 있어서,
상기 공기극배출라인은 상기 이코노마이저를 경유하여 상기 분기라인 후단의 상기 연료극배출라인에 합류되는 전기 추진 선박.
According to clause 6,
An electric propulsion ship in which the air electrode discharge line joins the anode discharge line at the rear end of the branch line via the economizer.
제5 항에 있어서,
상기 산화반응기 전단의 상기 연료극배출라인에서 분기되어 상기 연료극배출가스를 상기 개질기 전단으로 순환시키는 순환라인을 더 포함하는 전기 추진 선박.
According to clause 5,
An electric propulsion vessel further comprising a circulation line branched from the anode discharge line in front of the oxidation reactor to circulate the anode exhaust gas to the front of the reformer.
제1 항에 있어서, 상기 분리막은,
이산화탄소를 선택적으로 투과하는 고분자소재를 중공사막에 가공하여 형성한 것인 전기 추진 선박.
The method of claim 1, wherein the separator is:
An electric propulsion ship formed by processing a polymer material that selectively transmits carbon dioxide into a hollow fiber membrane.
제1 항에 있어서,
상기 연료탱크에 저장된 상기 액화천연가스를 강제로 기화시켜 강제기화가스를 생성하는 기화기를 더 포함하되,
상기 개질기는 상기 강제기화가스를 개질하여 상기 개질가스를 생성하는 전기 추진 선박.
According to claim 1,
It further includes a vaporizer that forcibly vaporizes the liquefied natural gas stored in the fuel tank to generate forced vaporization gas,
The reformer is an electric propulsion ship that generates the reformed gas by reforming the forced vaporization gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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